Отрыв пламени в процессе горения. Условия устойчивой работы горелки

Cтраница 2

Отрыв пламени от горелки возможен ввиду повышенного давления газа перед плитой или избытка первичного воздуха. Для выяснения первой причины достаточно посмотреть, как работают другие приборы, присоединенные к этому газопроводу. Если неисправность наблюдается у всех горелок, то необходимо проверить давление газа в газопроводе по жидкостному манометру, подсоединив его резиновым шлангом к форсунке верхней горелки плиты. Опытный слесарь может установить повышенное давление по звуку, издаваемому форсункой. Если давление повышено, нужно немедленно сообщить об этом в аварийную службу для принятия срочных мер. Если эта неисправность вызвана избытком первичного воздуха, то достаточно, повернув регулятор первичного воздуха, уменьшить его подачу до нормы. Отрыв пламени от горелки происходит потому, что скорость истечения газовоздушной смеси больше скорости распространения пламени. Он опасен тем, что горелка может погаснуть и вызвать загазованность помещения.

Отрыв пламени возникает при чрезмерном увеличении скорости истечения газовоздушной смеси из горелки. Если скорость газовоздушной смеси в направлении, нормальном к поверхности внутреннего конуса пламени, превышает скорость распространения пламени, то пламя будет частично или полностью отрываться от устья горелки или горелочных отверстий. Если эта скорость меньше скорости распространения пламени, то пламя может проскочить внутрь горелки.

Отрыв пламени при больших скоростях возможен не только в горелках предварительного смешения газа с воздухом, но и в горелках диффузионного типа. Внутрь диффузионной горелки пламя проникнуть не может, так как в ней находится горючий газ без примеси воздуха.

Отрыв пламени от запальника чаще всего происходит в самом запальном отверстии, в котором скорость воздуха, поступающего в топку за счет разрежения, достаточно высока. При погасании пламени запальника необходимо его быстро удалить из топки, устранить причины неустойчивого горения запальника, тщательно провентилировать топку и газоходы и только после этого приступить к повторному включению горелок. Если в топке котла установлено несколько горелок, включают их поочередно.

Отрыв пламени от горелки происходит, если скорость газовоз-душной смеси значительно превысит скорость ее воспламенения. Явление отрыва пламени может происходить при розжиге горелки (группы горелок) и при выключении части горелок. Во время работы котла отрыв происходит при внезапном увеличении давления газа, подаче воздуха с большой скоростью при малом давлении газа или чрезмерной тяге в газоходе.

Отрыв пламени от горелки может вызвать взрыв в топке пли газоходе котла, так как в топку начинает поступать холодная газовоздушная смесь, которая взрывается от другой горящей горелки или какой-нибудь накаленной частицы, находящейся в топке или газоходе котла.

Отрыв пламени возможен при розжиге горелки или блока горелок котла (печи), при выключении части горелок и в процессе работы котла (печи) при внезапном увеличении давления газа, подаче газа с большой скоростью при малом его давлении или чрезмерной тяге в дымоходе. При этом пламя может погаснуть, отчего возможно загазование топки и дымоходов котла.

Отрыв пламени может происходить при розжиге горелок, при выключении части горелок. Во время работы котла, независимо от того, оборудован он автоматикой или нет, явление отрыва пламени возникает вследствие внезапного увеличения давления газа, подачи воздуха с большой скоростью при малом давлении газа или чрезмерной тяге в дымоходе.

Отрыв пламени от горелки происходит в том случае, если нормальная составляющая скорости истечения газо-воздушной смеси будет больше скорости распространения пламени.

Отрыв пламени происходит в том случае, если скорость истечения газовоздушной смеси значительно превысит скорость ее распространения.

Отрыв пламени наблюдается у всех типов горелок, а проскок - только у горелок с предварительным смешением газа и воздуха.

Отрыв пламени от сопла горелки наблюдается еще до того, как горение становится турбулентным.

Отрыв пламени происходит главным образом при форсированной работе горелок, особенно при сжигании медленно горя1 - щих газов. Проскок пламени у таких горелок наступает в случае нарушения соответствия между скоростью истечения смеси и скоростью распространения пламени. В инжекционных горелках, так же как и в горелках предварительного смешения, в смеси, подлежащей сгоранию, находится такое количество воздуха, которое необходимо для процесса полного сгорания горючего газа. Длина факела таких горелок меньше, чем у атмосферных, они имеют сравнительно небольшую возможность форсировки и очень критичны к проскоку и отрыву пламени. С целью расширения диапазона работы горелки предварительного смешения, используемые в электровакуумном производстве, снабжены устройством для образования запального пламени.

Отрыв пламени от горелки возникает, если скорость истечения газовоздушной смеси превышает скорость ее воспламенения. Это явление обычно происходит вследствие внезапного увеличения давления газа, подачи воздуха с большой скоростью при малом давлении газа или чрезмерно большой тяге.

Стабилизация газового пламени
Сжигание газа осуществляют в газовых горелках. При устойчивом горении в зоне горения устанавливается динамическое равновесие между стремлением пламени продвинуться навстречу движению газовоздушной смеси и стремлением потока продвинуть пламя от устья горелки в топку.
Пределами устойчивости работы горелок являются отрыв и проскок пламени в горелку. При большой скорости движения газовоздушной смеси наблюдается перемещение фронта пламени в направлении движения, полное отделение пламени от горелки и последующее его погасание. Это явление называется отрывом пламени. При уменьшении подачи и скорости выхода газовоздушной смеси стабильное горение нарушается и пламя начинает втягиваться в горелку. Когда горение газовоздушной смеси происходит внутри горелки, возникает проскок пламени.
Итак, для поддержания устойчивого горения необходимо обеспечить определенное соотношение между скоростью распространения пламени и скоростью поступления газовоздушной смеси к месту ее горения. На устойчивость пламени оказывает влияние также соотношение объемов газа и воздуха в газовоздушной смеси, причем, чем больше газа, тем устойчивее пламя.
При проскоке пламени горение газа происходит внутри горелки. Это приводит к неполному сгоранию газа и образованию оксида углерода или даже погасанию пламени. Горение газа внутри горелки приводит к тому, что она раскаляется и может выйти из строя. При отрыве пламени газовоздушная смесь поступает в окружающее пространство, что может привести к взрыву газовоздушной смеси. По этому обеспечение стабильного горения газа - важнейшее условие его безопасного использования.
Стабилизацию пламени газовоздушной смеси можно обеспечить с помощью специальных устройств. Необходимые условия при этом: поддержание скорости выхода газовоздушной смеси в безопасных пределах; поддержание температуры в зоне горения не ниже температуры воспламенения газовоздушной смеси.
Когда в горелку поступает не газовоздушная смесь, а чистый газ, пламя наиболее устойчиво. Объясняется это тем, что в чистом газе пламя не распространяется и проскок пламени не возникает. Однако при резком увеличении скорости выхода газа может произойти отрыв пламени, но и он менее вероятен, чем при подаче газовоздушной смеси. При подаче чистого газа в горелку его расход можно регулировать в достаточно широких пределах.
Если же к факелу подается газовоздушная смесь, содержащая 50-60 % воздуха от теоретически необходимого для полного сжигания газа, то горение такой смеси будет менее устойчивым. Наименее устойчиво горение заранее подготовленных для полного сжигания газа газовоздушных смесей. Итак, чем меньше воздуха содержится в газовоздушной смеси, тем устойчивее процесс его сгорания.
Стабилизация пламени при сжигании полностью подготовленной газовоздушной смеси достигается с помощью специальных устройств. Например, проскок пламени предотвращается, если сузить выходное отверстие для газовоздушной смеси. Увеличивающаяся при этом скорость выхода смеси не позволяет произойти проскоку. Пламя не распространяется через узкие щели плоской стабилизирующей решетки, так как в них газовоздушная смесь быстро охлаждается. Если выходное отверстие выполнено в виде мелкой решетки, то это тоже предотвращает проскок пламени в горелку. Вероятность проскока пламени можно снизить, если охлаждать выходное отверстие носика горелки. Скорость распространения пламени в этом месте снижается, и температура смеси становится ниже температуры воспламенения.
Отрыв пламени от горелки предотвращенают установкой различных устройств. Например, у устья горелки помещают небольшую дежурную горелку с устойчивыи факелом для постоянного поджигания выходящей из горелки газовоздущной смеси, либо на поду печи выполняют горку из битого огнеупорного кирпича.
Наибольшее распространение получила стабилизация горения с помощью огнеупорных тоннелей. Газовоздушная смесь поступает из кратера горелки в цилиндрический тоннель диаметр которого в 2-3 раза больше диаметра кратера горелки. При резком расширении тоннеля вокруг корневой части факела создается разрежение, что вызывает обратное движение части ракаленных продуктов горения. За счет этого температура газовоздушной смеси в корне факела повышается и обеспечивается устойчивая зона зажигания. Такой же эффект достигается при размещении на выходе из горелки плохо обтекаемого тела (рассекающий стабилизатор).

Наличие устойчивого пламени является важнейшим условием надежной и безопасной работы агрегата. При неустойчивом горении пламя на определенных режимах может проскочить внутрь горелки или оторваться от нее. В обоих случаях это может привести к загазованию топки и газоходов и взрыву газовоздушной смеси при последующем повторном розжиге.

Рассмотрим основные факторы, определяющие устойчивость пламени, на примере простейшей горелки в виде трубки, из устья которой в атмосферу выходит с небольшой скоростью газовоздушная смесь. Если бы скорость выходящего потока смеси была одинаковой по всему сечению устья и близкой к скорости распространения пламени, то при поджигании в потоке образовался бы на некотором расстоянии от устья плоский горящий фронт пламени. На самом деле выходящий из устья поток смеси всегда имеет неравномерное поле скоростей: чем ближе к стенкам, оказывающим тормозящее воздействие, тем меньше скорость. Самая большая скорость в центре потока может значительно превышать нормальную скорость распространения пламени у н (составляющую общей скорости распространения пламени, перпендикулярную к фронту горения). В результате плоская форма фронта пламени не может сохраниться и при круглом устье горелки приобретает вид конуса (рис. 7.1). Вторая составляющая скорости распространения пламени (перпендикулярная к V,) направлена вдоль наклонной поверхности конуса и стремится снести пламя к его вершине, следовательно, погасить его. Для устойчивого существования конусного пламени необходимо постоянно поджигать газовоздушную смесь. Это происходит в точках вблизи стенок, где скорость выхода потока из устья очень мала. Стенки горелки не только притормаживают поток смеси, но и охлаждают его. Вследствие этого вблизи стенок также уменьшается скорость распространения пламени. В области, прилегающей к устью горелки, конусный фронт пламени разворачивается и его края становятся параллельными плоскости устья. В результате в месте изгиба конуса образуется кольцевая зона, где скорости потока и распространения пламени становятся равными друг другу. Эта зона и служит постоянным поджигающим очагом для всей остальной конусной поверхности горения.

Рис. 7.1.

/ - внешний (наружный) конус; 2 - внутренний конус; 3 - линии тока;

4 - корпус горелки

Мощность кольцевой поджигающей зоны, а следовательно, и устойчивость всего факела горелки зависят от состава смеси: чем больше в ней горючего газа, тем надежнее поджигающий пояс и меньше вероятность отрыва факела. При прочих равных условиях наибольшую устойчивость имеет диффузионный факел, когда из устья горелки выходит только газ.

При возрастании тепловой мощности горелки и достижении скоростью потока какого-то предела поджигающее воздействие зоны оказывается недостаточным - пламя отрывается. Отрыв может быть частичным, когда горение происходит на некотором расстоянии от устья горелки, и полным, когда горение прекращается полностью. Уменьшение тепловой мощности горелки ведет к тому, что на каком-то режиме скорость потока окажется меньше скорости распространения пламени - происходит проскок, или обратный удар, пламени.

При устойчивом горении частично подготовленной смеси пламя (см. рис. 7.1) состоит из двух конусов - наружного 1 и внутреннего 2. Последний представляет собой поверхность, в которой выгорает та часть горючего, которая обеспечена первичным воздухом, имеющимся в смеси. В зоне горения, т.е. на поверхности внутреннего конуса, развивается высокая температура, и она выделяется на фоне синеватого внешнего конуса своим зеленовато-голубоватым цветом. Основание внутреннего конуса располагается от обреза устья на расстоянии, примерно равном толщине зоны горения, которая образует поверхность конуса (для смеси метана с воздухом - около 0,6 мм). Остальная часть горючего догорает в наружном конусе (иногда называемом мантией) за счет кислорода, диффундирующего в него из окружающей среды.

Увеличивая скорость потока смеси и меняя в нем а, можно видеть переход от ламинарного к турбулентному течению: вследствие появления вихревых движений и пульсаций ясно очерченный конусный фронт пламени размывается, его толщина возрастает, пламя становится неустойчивым, стремится оторваться или проскочить внутрь горелки.

Количество первичного воздуха в газовоздушной смеси является одним из основных факторов, влияющих на скорость распространения пламени. В смесях, в которых содержание газа превышает верхний предел его воспламеняемости (взрываемости), пламя вообще нс распространяется. С увеличением количества первичного воздуха в смеси скорость распространения пламени увеличивается, достигая наибольшего значения при содержании воздуха около 90 % теоретически необходимого. Из этого следует, что при увеличении подачи первичного воздуха в горелку и приближении состава смеси к стехиометрическому возрастает опасность проскока пламени. Поэтому при увеличении тепловой мощности горелок обычно увеличивают сначала подачу газа, а затем воздуха, а при уменьшении нагрузки - наоборот. По этой же причине в момент зажигания горелок некоторых конструкций горение сначала идет за счет вторичного воздуха, и по мере увеличения тепловой мощности в них подают первичный воздух.

Недопустимы как отрыв пламени (частичный и полный), так и его проскок внутрь горелки. В первом случае топка и газоходы, а иногда и помещение котельной заполняются несгоревшим газом, образуется взрывоопасная газовоздушная смесь, что при наличии источника высокой температуры может привести к взрыву. Во втором случае пламя, как и при отрыве, может погаснуть и газ начнет выходить в топку, заполняя ее и газоходы. Если горение сохранится в горелке, то из-за резкого увеличения ее сопротивления оно будет происходить с большим химическим недожогом, и продукты неполного сгорания газа, заполняющие топку и газоходы, также могут образовать взрывоопасные и токсичные (в основном за счет оксида углерода) смеси. Сама горелка вследствие перегрева может выйти из строя. Отсюда следует, что конструкция горелки должна обеспечивать устойчивость пламени без его отрыва и проскока во всем расчетном диапазоне регулирования ее тепловой мощности.

Рассмотрим некоторые мероприятия, применяемые для стабилизации пламени на практике. Если из устья горелки (или огневых отверстий горелки многофакельного типа) выходят чистый газ или газовоздушная смесь, концентрация газа в которой больше верхнего предела воспламеняемости, то проскока пламени произойти не может. Следовательно, при необходимости кратковременного снижения тепловой мощности горелки ниже значений, предусмотренных паспортом, приходится во избежание проскока снижать содержание в смеси первичного воздуха. Такой метод расширения диапазона устойчивой работы применим в основном для горелок частичного смешения, выдающих из устья газовоздушную смесь с ос г ~ 0,3-0,7, например инжек-ционных горелок низкого давления.

Иначе приходится решать вопросы устойчивости горения при использовании горелок, из устья которых поступает газовоздушная смесь, по составу близкая к стехиометрической, а также предназначенных для работы с а г > 1. Как правило, в этих случаях уменьшение а, недопустимо и диапазон устойчивой работы горелки становится таким узким, что практически не дает возможности вообще регулировать расход газа через нее.

Для того чтобы горелки этого типа могли работать без проскока пламени в достаточно широких пределах регулирования, скорость выхода смеси из устья принимают в 30-50 раз больше скорости распространения пламени. В некоторых конструкциях горелок, чтобы избежать проскока при малой тепловой мощности, используют метод подачи газа через круглые каналы (отверстия) или щели, размеры которых принимают настолько малыми, что они приближаются к критическим. При размерах каналов меньше критических проскок пламени через них невозможен из-за резкого уменьшения нормальной скорости распространения пламени вследствие усиленного теплоотвода от корня факела. Для стехиометрической смеси метана с воздухом критический диаметр канала равен примерно 3 мм, щели - 1,2 мм.

Устойчивость факела в отношении отрыва у горелок, выдающих газовоздушную смесь с а > 1, обеспечивают устройством специальных стабилизаторов. Конструктивно стабилизаторы могут быть встроены непосредственно в горелку (например, тела плохо обтекаемой формы, кольцевые стабилизаторы), примыкать к ней (керамические туннели, поджигающие факелы стационарных запальников) или располагаться в топке на некотором удалении от горелки (керамические горки, решетки, рассекатели).

Схема стабилизации пламени горелки факелом стационарного запального устройства приведена на рис. 7.2,а. Надежность этого метода зависит в свою очередь от устойчивости запального факела. Наиболее широкое распространение в печах и котлах получили керамические туннели цилиндрической, конической, прямоугольной или щелевидной формы. В туннель обычно поступает подготовленная смесь газа с воздухом с предварительным подогревом воздуха или без него (в теплотехнических установках газ, как правило, не подогревают). В ряде случаев в туннель подают частично подготовленную газовоздушную смесь или даже раздельно газ и воздух, и тогда туннель кроме своего основного назначения - стабилизировать пламя - выполняет функции смесителя. В туннель можно подавать из устья горелки прямолинейный поток газовоздушной смеси, в которой все линии тока параллельны оси горелки или имеют с ней небольшой угол (при конфузорном устье). Такие горелки иногда называют прямоструйными. К ним относятся, например, инжекпи-онные горелки среднего давления. В туннель можно подавать предварительно закрученный поток газовоздушной смеси. Горелки с закруткой потока, выходящего из устья, часто называют вихревыми.

а) б) в)

Рис. 7.2.

отрыв пламени

а - пилотный факел; б - цилиндрический туннель с внезапным расширением; в - цилиндрический туннель без расширения; г - конический туннель; О - керамическая горка; е - кольцевой стабилизатор; ж , з - тела плохо обтекаемой формы (цилиндрическое, коническое)

В качестве стабилизаторов пламени могут использоваться различного рода раскаленные керамические поверхности, на которые направляется газовоздушная смесь, выходящая из устья горелки (горки, рассекатели, столбики, стенки, решетки и т.п.). В этом случае керамическая поверхность располагается в топке так, чтобы ее можно было раскалить пламенем той же горелки, работающей устойчиво при недостатке воздуха. После разогрева огнеупора до температуры, достаточной для поджигания газа, количество воздуха, поступающего в горелку, увеличивается до заданного и пламя при отрыве от устья горелки стабилизируется на поверхности раскаленного до 1000-1200 °С огнеупора (рис. 7.2,д). Стабилизаторы этого типа отличаются от других тем, что расположены на некотором расстоянии от устья горелки. Их стабилизирующая способность несколько меньше, чем керамических туннелей.

Широкое применение получили стабилизаторы в виде тел плохо обтекаемой формы (рис. 7.2,ж,з). За телом плохо обтекаемой формы, введенным в поток газовоздушной смеси, образуется зона заторможенного движения частиц. При соответствующих поперечных размерах стабилизатора в этой зоне возникают обратные токи горячих продуктов горения, т.е. создается зона рециркуляции. Слои газовоздушной смеси, расположенные на границе с зоной рециркуляции, подогревают до температуры воспламенения и поджигают, стабилизируя пламя в основном потоке. Стабилизирующая способность тела плохо обтекаемой формы зависит от его формы и размеров, наличия и размеров зоны рециркуляции, а также состава смеси (чем ближе он к стехиометрическому, тем надежнее стабилизация). Наибольшей стабилизирующей способностью обладают диски и шайбы. Следовательно, правильно сконструированный и расположенный стабилизатор в виде тела плохо обтекаемой формы может исключить отрыв пламени при достаточно высокой скорости смеси, выходящей из устья горелки. Достоинство этих стабилизаторов составляют упрощение монтажа и уменьшение габаритов га-зогорелочного устройства, так как отпадает необходимость в устройстве туннелей, а стабилизатор, как правило, встраивается в конструкцию горелки.

Этими же достоинствами обладают и кольцевые стабилизаторы (рис. 7.2,с), у которых часть газовоздушной смеси (от 5 до 10 %) отделяется от основного потока и направляется наружу не через устье, а через боковые отверстия 3. Эта часть газовоздушной смеси, выйдя из отверстий, попадает в кольцевую полость 4 , образованную наружной поверхностью огневого насадка 2 и специальным кольцом /. Так как площадь поперечного сечения кольцевой щели значительно больше суммарной площади отверстий, то скорость смеси уменьшается до значения, при котором отрыва пламени не может произойти. Устойчивое горение газа у кольца обеспечивает надежное поджигание всей смеси, выходящей из устья горелки с большой скоростью. Кольцевые стабилизаторы могут компоноваться с горелками, выдающими газовоздушную смесь с а = 0,2-1,1.

К недостаткам кольцевых стабилизаторов и тел плохо обтекаемой формы можно отнести необходимость применения жаропрочного материала.

При горении газовоздушных смесей в ламинарном потоке устойчивой частью конусного фронта пламени является только его нижняя периферийная часть, прилегающая к кромке огневого канала горелки. Объясняется это тем, что в этом месте фронт пламени за счет тормозящего действия стенки канала развернут по горизонтали. стабилизация конусного фронта горения обусловливается наличием постоянного источника зажигания в виде кольцевого пояска, без которого остальная часть фронта была бы снесена потоком газовоздушной смеси. При повышении форсировки горелки, т. е. при переходе ламинарного режима движения в турбулентный, ширина зажигающего пояска начинает уменьшаться, пока не станет ничтожно малой. В этом случае устойчивость фронта горения нарушается, и пламя начинает отрываться от кромки горелки. Наоборот, при чрезмерном снижении форсировки горелки скорость распространения пламени в кольцевой пристенной области может превышать скорость потока, и пламя начинает втягиваться внутрь сместителя горелки. Первый случай получил название отрыва пламени, а второй - проскока, или обратного удара пламени.

В практике при отрыве пламени наблюдаются следующие явления:

Срыв пламени с горелки, вызывающий его погасание;

Отрыв от кромки огневого канала, когда пламя достигает нового достаточно устойчивого положения в потоке над горелкой;

Срыв поднятого пламени, ведущий к его погасанию;

Обратный отброс приподнятого факела к кромке огневого канала горелки;

Создание взвешенного пламени при движении струи на некотором расстоянии от горелки.

Пределы устойчивой работы горелок ограничиваются скоростью отрыва и скоростью проскока пламени. Для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей скорости отрыва. Предотвращение отрыва пламени в этих случаях достигается различными искусственными стабилизаторами. Стабилизатор представляет собой оголовок инжекционной горелки, в котором часть горючей смеси (5-10 %) проходит через боковые отверстия 1 в канал 2, где возникает спокойное кольцевое пламя, окружающее основной поток .

Рис. 6.1 Схемы стабилизаторов горения в отношении отрыва пламени: а - кольцевой стабилизатор; б - стабилизатор в виде цилиндрического туннеля; в - стабилизатор в виде осесимметричного тела; г - стабилизатор в виде шамотной наброски; 1 - боковые отверстия; 2 - канал.

Стабилизирующее действие этого устройства основано на рециркуляции части раскаленных продуктов горения к корню струи, возникающей за счет создаваемого струёй разрежения. Конструкции стабилизирующих туннелей и их оптимальные размеры могут быть различны в зависимости от типа горелок и способов их установки в топках. В тех случаях, когда установка кольцевых и туннельных стабилизаторов горения нецелесообразна или неудобна, применяются U-образные стабилизаторы, размещаемые в центральной части потока газовоздушной смеси. В качестве простейших стабилизаторов, создающих обратные токи продуктов горения, применяются также стержни, размещаемые поперек потока смеси. В отдельных случаях для стабилизации горения используются шамотные наброски (горки), размещенные в непосредственной близости от кратера горелки .